东华大学朱美芳院士团队Mater.Horiz.：高导电多孔木质素基碳纤维

随着环境污染日益严重、石化资源日益短缺、环保法规日益完善，越来越多的行业开始重视可持续发展和开发利用可再生资源。由于生物基碳纤维具有与传统碳纤维相比拟的性能，近年来受到了广泛关注。在各种生物基碳纤维前驱体材料中，木质素具有原料来源广泛、碳含量高、芳香烃结构丰富等优势，是一种制备碳纤维的理想材料。然而，木质素基碳纤维还存在比表面积较低和电导率不足等问题，严重制约了它们的广泛应用。

针对木质素基碳纤维存在的问题，东华大学朱美芳院士团队在前期研究（Int. J. Biol. Macromol., 216, (2022) 388-396.; Int. J. Biol. Macromol., 226 (2022) 646-659.）的基础上，系统研究了碳化工艺对木质素基碳纤维结构与性能的影响，开发了具有高电导率（71,400 S m-1）和大比表面积（923 m2 g-1）的木质素基碳纤维。制备的木质素基碳纤维性能优于或与商业碳纤维相当，并具有显著更低的成本和温室气体排放优势（图1）。基于木质素基碳纤维阳极组装的锂离子电池表现出超过800个循环周期的长寿命和高比容量（466 mAh g-1）。该研究对于推动木质素在能源储存、吸附等领域的高值化应用具有重要意义。

图1.木质素基碳纤维的结构和优势

本文研究了碳化工艺对木质素基碳纤维形貌和结构的影响（图2），揭示了木质素基碳纤维微观形貌、元素组成、力学性能、石墨微晶生长随碳化温度和碳化升温速率的变化规律。

图2.不同碳化温度下制备的木质素基碳纤维形貌和结构

本研究揭示了碳化工艺对木质素基碳纤维比表面积的影响（图3）。结果表明，碳化工艺对木质素基碳纤维的比表面积有显著影响，在特定碳化温度下制备的木质素基碳纤维表现出介孔特性，孔径分布相对较窄，比表面积大，适用于储能和吸附等多种应用。

图3. 木质素基碳纤维的比表面积

IG/ID是表征碳纤维石墨化程度的重要指标，而石墨化程度又对碳纤维的电导率有重要影响。本研究揭示了木质素基碳纤维IG/ID、电导率与碳化温度的关系（图4）。结果表明，碳纤维的IG/ID随碳化温度的增加而增加，表明石墨化程度逐渐提高，导电性能逐渐改善。结构参数Lc、d002进一步证实了石墨微晶的生长和堆叠石墨层状结构的发展。得到的木质素基碳纤维具有优异的导电性能，优于传统的碳纤维和其他生物质基碳纤维。

图4. 木质素基碳纤维的导电性能

木质素基碳纤维大的比表面积和高的电导率使其能够用作锂离子电池的阳极材料。为了验证木质素基碳纤维在锂离子电池中的应用性能，本研究以3种典型的木质素基碳纤维作为负极活性材料组装了锂离子电池，结果表明，由木质素基碳纤维开发的锂离子电池负极具有较长的循环寿命（>800次循环）和高的比容量（466 mA h g−1)。

图5. 木质素基碳纤维作为阳极组装的锂离子电池性能

总结：本研究通过熔喷、预处理和碳化工艺制备了高导电多孔木质素基碳纤维，系统研究了碳化温度（900-2800°C）和碳化升温速率（2-5°C min-1）对木质素基碳纤维结构和性能的影响。制备的木质素基碳纤维表现出优异的导电性能（71,400 S m-1）和大的比表面积（923 m2 g-1），优于或与商业碳纤维相当。由木质素基碳纤维组装的锂离子电池阳极表现出长循环寿命（>800个循环）和高比容量（466 mAh g-1）。木质素基碳纤维的优异性能使其成为一种有望替代传统碳纤维的理想选择，并表现出更大的经济和环保优势。

作者简介：

该工作于近期发表于国际权威期刊《Materials Horizons》。东华大学博士研究生贾国胜为论文第一作者，相恒学副研究员和贾超副研究员为通讯作者，朱美芳院士为共同作者。

参考文献：

1. G. Jia, Y. Yu, X. Wang, C. Jia, Z. Hu, S. Yu, H. Xiang and M. Zhu, Materials Horizons, 2023, DOI: 10.1039/D3MH01027A.

2. G. Jia, Z. Zhou, Q. Wang, M. T. Innocent, S. Wang, Z. Hu, X. Wang, H. Xiang and M. Zhu, International Journal of Biological Macromolecules, 2022,216, 388-396.

3. G. Jia, M. T. Innocent, Y. Yu, Z. Hu, X. Wang, H. Xiang and M. Zhu, International Journal of Biological Macromolecules, 2023,226, 646-659.

来源：高分子科学前沿

声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！